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パッシブサンプリングは、人工装置や生物などの収集媒体を使用して環境中の化学汚染物質を時間とともに蓄積する環境モニタリング技術です。これは、ある時点で対象媒体から直接サンプルを採取するグラブサンプリングとは対照的です。パッシブサンプリングでは、装置の展開時間にわたって平均化学濃度が計算されるため、複数の代表サンプルを収集するためにサンプリングサイトを複数回訪問する必要がなくなります。[ 1 ]現在、パッシブサンプラーは、水中の有毒金属、農薬、医薬品、放射性核種、多環芳香族炭化水素（PAH）、ポリ塩化ビフェニル（PCB）、その他の有機化合物を検出するために開発され、展開されています。[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]一方、一部のパッシブサンプラーは、空気中の有害物質を検出できます。[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]
パッシブサンプリングの基本原理は、フィックの第一拡散法則と、パッシブサンプラーの種類によっては、サンプリング媒体（空気または水）から収集媒体（パッシブサンプラー）への汚染物質分子またはイオンの流れ、そしてサンプリング媒体と比較して収集媒体に対する汚染物質の結合親和性の高さによるものです。その結果、汚染物質は周囲の媒体と平衡状態に達するまで、時間とともに収集媒体に濃縮されます。パッシブサンプリングを使用することで、サンプラーの設置期間における汚染物質の時間平均濃度が得られます。[ 1 ]
受動サンプリングと能動サンプリングを区別することが重要です。能動サンプリングは基本的な原理は同じですが、ポンプなどの可動部品を使用してサンプリング媒体を収集媒体に押し出します。[ 9 ]受動サンプリングは分子拡散とサンプラー内の薬剤への汚染物質の吸着または結合のみに依存するため、拡散サンプリングとも呼ばれます。[ 6 ]
パッシブサンプリングは、汚染物質を直接分析するために空気、水、または土壌のサンプルを採取するグラブサンプリングとは異なります。これらのサンプルは特定の時点におけるものであり、パッシブサンプリング装置や生物とは異なり、その時点における汚染物質の濃度に関する情報を提供します。
様々な種類のパッシブサンプラーが開発され、以下のような様々な汚染物質のサンプリングが行われてきた。
水中に存在する汚染物質を監視するための受動サンプリング装置にはいくつかの種類がある。これらの装置に加えて、ムール貝などの生物も環境中に生息し、汚染物質を「受動的にサンプリング」（生物蓄積）し、水質汚染の監視（生物モニタリング）に利用できる。[ 11 ]
ケムキャッチャーは、無機汚染物質（金属）や幅広い有機汚染物質をパッシブサンプリングできます。使い捨てのディスク（膜付きまたは膜なし）がプラスチック製の支持体に密封されています。受容相と膜の種類は、サンプリング対象の化学物質によって大きく異なります。サンプリング速度と水流量が分かっていれば、多くの化学汚染物質の時間平均水濃度を測定できます。[ 2 ] [ 3 ]
薄膜拡散勾配（DGT）サンプラーは、イオン性微量金属、抗生物質、オキシアニオン、ビスフェノール、ナノ粒子をさまざまな構成で受動的にサンプリングします。プラスチック製のピストンとキャップで構成され、結合ゲル、拡散ゲル、フィルター膜をサンプリング水に露出させる窓があります。淡水環境と海洋環境の両方で使用でき、淡水と海洋の堆積粒子の間にある間隙水または間隙水と呼ばれる水でも使用できます。DGTサンプラーに蓄積された汚染物質の質量がわかれば、DGT方程式（フィックの法則に基づく）を使用して、汚染物質の時間平均水濃度を計算できます。[ 10 ]
微多孔性ポリエチレンチューブ（MPT）は、より厚い膜を導入することで、ChemcatcherやPOCISなどの他の動的受動サンプラーの流量依存性を軽減しようと試みています。[ 12 ]拡散性ポリエチレン層は、（流量の影響を受ける）水境界層の厚さが拡散を支配するのを防ぎます。[ 13 ]チューブには、サンプリングされる化学物質または化学グループに応じて吸着剤が充填されており、グリホサート、AMPA、違法薬物、医薬品、パーソナルケア製品のサンプリングに成功裏に使用されています。[ 13 ] [ 14 ]
ピーパーは、淡水および海洋堆積物の間隙水中の金属を採取するための受動拡散サンプラーであり、金属汚染された堆積物が存在する可能性のある領域を見つけるために使用できます。ピーパーは、きれいな水で満たされ、透析膜で覆われたプラスチック容器で、堆積物の間隙水中の金属がピーパー内の水に溶け込むことができます。[ 15 ]通常は、金属が十分に溶解してサンプリングできる無酸素環境になるように、堆積物の中に十分に深く設置されます。 [ 16 ]堆積物の間隙水とピーパー内の水が平衡に達するまでピーパーを十分に長く設置すれば、採取した堆積物の間隙水中の金属濃度を正確に提供できます。[ 15 ]
極性有機化学物質統合サンプラー（POCIS）は、logオクタノール-水分配係数（K ow）の値が 3 未満の極性有機汚染物質をサンプリングします。これらの種類の化学物質の例としては、極性農薬、医薬品、違法薬物、難燃剤、および薬物代謝物などがあります。POCIS は、支持棒に取り付けられ、金属ケージに収められた可変数の固体吸着ディスクで構成されており、農薬 POCIS と医薬品 POCIS の 2 つの吸着構成が可能です。サンプラーを通過する水の量がわかっている限り、POCIS から吸着された汚染物質を抽出した後、極性有機汚染物質の水濃度を計算できます。[ 5 ]
半透膜デバイス（SPMD）は、オクタノール-水分配係数（Kow）の対数値が3より大きい非極性有機汚染物質をパッシブサンプリングします。これらの化学物質の例としては、多環芳香族炭化水素（PAH）、ポリ塩化ビフェニル（PCB）、ポリ臭化ジフェニルエーテル（PBDE）、塩素系農薬、ダイオキシン、フランなどが挙げられます。SPMDは、非極性有機物が非常に溶けやすいトリオレインを充填した密閉プラスチックチューブで構成されており、トリオレインは水生生物の脂肪組織を模擬したものです。チューブは金属棒の間に編み込まれ、金属製のケージで覆われています。サンプリング速度は水に接するチューブの表面積に依存するため、用途に応じてさまざまな長さのチューブでサンプラーを作成できます。サンプラーを通過する水の量が分かっていれば、SPMDから汚染物質を抽出した後、非極性有機汚染物質の水濃度を計算できます。[ 5 ]
安定化液膜デバイス（SLMD）は、淡水中のイオン性金属をパッシブサンプリングします。SLMDは、両端が密封された低密度ポリエチレンプラスチックチューブセクションで構成され、オレイン酸と金属キレート剤の等量混合物が充填されています。SLMDは、淡水中のカルシウムイオンとマグネシウムイオンと相互作用することで機能します。これにより、SLMDプラスチック膜の外側に疎水性膜が形成され、その膜内でキレート剤がサンプリング水中の金属と結合します。[ 4 ] SLMDは、単独で、または水流を調整するためにプラスチックチューブハウジングで覆われた状態で、最長1か月間、現場に展開されています。[ 16 ] SLMDが展開期間中に蓄積した金属重量を計算し、SLMDの展開時間で割ることで、単位時間あたりの平均蓄積金属重量を得ることができますが、現在、これを平均金属濃度に変換する方法は開発されていません。さらに、SLMDのサンプリング速度は水流速度によって大きく変化し、プラスチックハウジングを使用してこれを制御できます。[ 4 ] [ 16 ]
受動サンプリングは、空気中の汚染物質、例えば浮遊粒子や有害な蒸気やガスについても実施できます。これは、人工装置または地衣類などの生物モニタリング生物を使用して行うことができます。[ 7 ] [ 17 ]
吸着管は揮発性有機化合物（VOC）の受動サンプラーです。吸着管は、活性炭やシリカゲルなどの吸着材が充填されたガラス管で、サンプリング対象の空気が通過します。吸着材は通過する空気からVOCを除去し、VOCは脱着して分析できます。空気中の濃度は、吸着管を通過した空気の量と脱着した汚染物質の量を使用して計算できます。[ 8 ]
パッシブサンプリングによる汚染物質濃度は、サンプラーの設置期間全体にわたる平均的な汚染を反映しており、つまり、サンプルは設置期間全体にわたる汚染物質濃度の変動を捉えます。従来のグラブサンプリングでは、収集されたサンプルは特定の時点のみを表すため、このようなことは行われません。汚染物質濃度の経時的な変化を観察するには、複数のグラブサンプルを採取する必要があります。[ 1 ]この統合的なサンプリング方法では、サンプラー上での化学物質の経時的な濃縮により、グラブサンプルでは検出されないほど低濃度で存在する化学物質も検出できます。その結果、パッシブサンプリングは、グラブサンプリングよりも時間のかからない、費用のかからない、より正確なサンプリング方法となる可能性があります。
さらに、受動サンプラーは、能動サンプリングとは異なり、汚染物質の分子拡散またはサンプラー内の薬剤への汚染物質の結合に依存するため、ポンプや可動部品がなく、電気も必要としないため、使いやすく設置しやすい場合が多い。[ 6 ]また、密閉されたプラスチックチューブと2つの化学成分のみを必要とするSLMDのように、安価で簡単に構築できる場合もある。[ 4 ]
受動サンプリングは、他のサンプリング方法よりも生物が利用できる金属濃度をより正確に反映する可能性がある。たとえば、SPMDサンプラーは半透膜とトリオレイン（トリグリセリド）を使用しており、どちらも生物の脂肪組織による毒性物質の取り込みを模倣している。 [ 5 ]ただし、これは使用する受動サンプラーの種類によって異なり、ピーパーなどの一部のサンプラーは分子拡散のみに依存しているため、[ 15 ]生物における汚染物質の取り込みの複雑なプロセスを反映するには単純すぎる可能性がある。
受動サンプリングは汚染物質の平均濃度に関する情報を提供するので、サンプラーの設置期間中に考えられるすべての濃度がこの平均値に含まれます。しかし、受動サンプリングだけでは、単一サイトでの設置期間中の汚染物質濃度の全範囲を把握することはできません。[ 1 ]サンプリング期間全体を通して高濃度と低濃度の汚染物質が必要な場合は、受動サンプリングと併用して他のサンプリング方法を使用する必要があります。
すべての受動サンプラーが、蓄積された汚染物質の質量を、米国環境保護庁の浄水法などの政府規制で使用される水濃度に変換する普遍的に正確な方法を備えているわけではありません。[ 18 ] DGT のような一部のサンプラーでは、サンプラー用に開発された方程式を使用してこれを行うことができますが、すべてのサンプラーがこれらを備えているわけではありません。受動サンプラーの展開時間も、サンプラーの容量に応じて制限されます。たとえば、SLMD は数か月間展開されていますが、金属濃度と水流量が十分に高い場合は、飽和に達してサンプリングをはるかに早く停止する可能性があります。[ 4 ]ただし、展開前に、関連する受動サンプラーに関する文献を調べて、サンプラーの容量と理想的な展開時間に関する背景情報を入手すれば、この問題は回避できます。